層出不窮的信號發生器可有效節省測試時間

所有電子電路和電子設備都接收輸入信號，然后將其處理成新的不同的輸出信號。工程師在設計和測試電路及設備時會從哪里獲得這些輸入信號呢？一種可能是為某種特殊應用建立自己的信號源，但這并非必需。

　　這是因為不管正在設計或等待測試的設備是何種類型，都可以用現成的信號發生器產生合適的輸入信號。信號發生器就象是工作臺上的示波器、萬用表和電源一樣普遍。不管是模擬還是數字類型的信號發生器，它們都能用來節省設計與測試時間，確保產品正常工作(圖1)。

　　圖1：基于昂貴多管腳MCU的多功能卡讀卡器接口設計。

　　函數發生器

　　基本的函數發生器可以產生頻率從約0。2Hz到20MHz左右的正弦波、方波和三角波信號。一些發生器還能提供線性斜坡、正極性或負極性脈沖信號。這些發生器主要用于基本的音頻、超聲波頻率和低頻射頻測試。脈沖輸出是TTL/CMOS電平，而線性輸出電壓可達±20Vp-p左右。

　　低成本發生器一般是用模擬電路實現的，可以產生連續的可變頻率和輸出電壓。雖然一些低成本模擬函數發生器仍有市場，但目前的大多數函數發生器使用數字信號發生方法和頻率合成技術。

　　事實上，大部分工程師喜歡數字類型的函數發生器，它們常被稱為任意函數發生器(AFG)或任意波形發生器(AWG)，兩者一般都統稱為ARB(圖2)。

　　圖2：基于少管腳MCU的多功能卡讀卡器接口設計的外接多工器和膠合邏輯。

　　AFG是兩種發生器中較簡單的一種，僅用于產生最常用的信號，如正弦波、三角波、鋸齒波或方波。而AWG可以用來產生事實上任意類型的信號。大多數AFG采用直接數字合成技術和內含標準波形的波形存儲器及DAC輸出(參考www。electronicdesign。com網站編號為DrillDeeper19147的“DDS基礎”一文)。

　　輸出信號以設定波形的一系列二進制樣值存儲在RAM或ROM中。這些數據輸出到數模轉換器(DAC)就能產生階梯近似型的目標輸出信號。一些AFG可以產生頻率高達300MHz的正弦和其它波形。

　　AFG在存儲器中預存有全部標準波形，可以通過前面板控制進行選擇。AWG也能產生標準波形，但用戶可以向RAM中輸入任意想要的波形，也可以用外部軟件創建代表想要波形的二進制文件。

　　頻率合成器向RAM提供增量地址，然后由RAM向DAC提供波形樣值。另外，可以用模擬的低通濾波器去除殘留的數字雜訊。輸出電平控制功能可以用來設定想要的信號幅度。

　　一些函數發生器還能提供基本的調制類型，包括調幅(AM)、幅移鍵控(ASK)、開關鍵控(OOK)、調頻(FM)、頻移鍵控(FSK)、調相(PM)、相移鍵控(PSK)及一些數字調制類型。

　　比如泰克的AWG5000。該設備使用了標準的N倍鎖相環(PLL)合成器(圖3)，有兩個輸出通道，每個通道都可以設成單端或差分輸出。其DAC采樣率高達1。2Gsamples/s，可以產生最高頻率達600MHz的輸出波形。由于這個高頻特性，AWG5000可以用于某些應用中的射頻測試。

　　圖3：基于帶靈活I/O影像的MCU的多功能卡讀卡器接口設計。

　AWG5000的關鍵指標是由14位DAC分辨率確定的動態范圍。最大波形存儲能力是32M個采樣。兩路輸出經設置可以為數字調制測試同時提供I和Q信號。

　　由于AWG5000具有寬頻率范圍和波形可編程功能，因此具有很大的靈活性，事實上它能實現任何形式的數字調制。加上其優異的位分辨率，AWG5000非常適合用于DAC和模數轉換器(ADC)測試。對于DAC測試來說，從波形存儲器輸出到內部DAC的14位并行數字字可以直接輸出。

　　泰克的另一款AWG7000提供10Gsamples/s的基本DAC采樣率。在兩個通道上采用交織技術后可以達到20Gsamples/s，從而實現10GHz的波形。輸出分辨率為10位。

　　AWG7000主要用于測試帶PCIExpress(PCIe)、SATA、Rapid-IO和以太網等接口的高速串行設備。其可編程特性可以讓用戶創建含有噪聲和其它損傷的波形，從而實現更具魯棒性的測試。

　　AWG5000和AWG7000都有相應的信號發生軟件。其中RFExpress用于實現數字調制波形創建，SerialExpress用于建立波形以測試高速串行接口和設備。還可以使用Matlab或LabVIEW等軟件。

　　射頻發生器

　　為了測試無線設備，工程師經常求助于射頻(RF)發生器。這些發生器可以產生從10MHz到30GHz以上的信號。有兩種基本的射頻發生器，即連續波(CW)和矢量信號發生器(VSG)，兩者都具有某種形式的調制功能(圖4)。數字信號發生是最常見的，但也有一些模擬型號仍在使用。

　　射頻發生器常用于代替本地振蕩器(LO)。高穩定和高精度的參考晶振可用來驅動PLL合成器。N倍分頻器通過前面板控制提供頻率選擇。PLL輸出送至用于保持恒定輸出信號的自動電平控制(ALC)電路。功放和可變衰耗器組成輸出電路。其它電路提供調制功能。

　　圖4：虛擬設備初始化工具。

　　射頻發生器通過某種相關電路讓調制信號改變壓控振蕩器(VCO)頻率或相位來實現FM和PM。AM則利用輸出電路中另外的可變衰耗器實現。

　　有些時候，工程師還會增加由混頻器和高頻LO組成的額外上變頻級電路來提高輸出范圍。例如釔鐵石榴石(YIG)VCO就是用來將信號轉換到近十千兆赫范圍的常用LO。

　　國家儀器(NI)公司的PXI-5652模塊化射頻發生器可以插入PXI機箱，與LabVIEW等軟件一起工作在虛擬儀器環境中(圖5)。它的頻率范圍是500kHz到6。6GHz。其它型號的頻率上限是1。3或3。3GHz。頻率上限為6。6GHz時的步距為4Hz，上限為1。3或3。3GHz時步距為1或2Hz。10MHz的內部頻率標準提供最大±3ppm的精度。輸出阻抗是標準的50Ω。

　　圖5：NI的PXI-5652RFCW發生器。

射頻發生器的關鍵指標包括頻譜純度、諧波、輸出幅度和調制功能。PXI-5652的頻譜純度是–90dBc/Hz的相位噪聲，2。488GHz處的抖動值為50fs，抖動寬度為5kHz到15MHz，2。4GHz處的殘留FM小于1。5Hz。諧波輸出測量值從3。3到6。6GHz為-20dBc。

　　頻率在3。3GHz以下時的輸出功率在約-100到10dBm范圍內變化，6。6GHz時為0dBm，變化步距為0。1dB。PXI-5652發生器還具有FM、FSK和OOK等內部調制功能。在3。3到6。6GHz范圍內的最大FM偏差為8MHz。FSK符號率從763Hz到100kHz，OOK符號率從153Hz到100kHz。

　　更新的CW射頻發生器使用DDS合成器來創建基本的正弦波信號。該信號經過濾波去除階梯近似過程中產生的諧波分量后送到功放和衰耗器。另外，還可以采用外差式上變頻電路將輸出頻率提升到更高的范圍。

　　目前最流行的射頻發生器是VSG，可以用來創建測試數字無線產品中最常用的射頻信號。實際上所有數字調制方案都使用IQ信號發生機制(圖6)。大多數VSG還有內置的AWG基帶電路，它使用軟件實現數字調制，然后通過DAC輸出到所示的VSG調制器。在一些發生器中，LO就能提供想要的頻率，因此不需要后續的上變頻電路。

　　圖6：矢量信號發生器基本電路。

　　無線測試裝置用于手機和無線電設備是否符合特定標準的正式測試。其中的射頻發生器可以產生所有調制類型，如全球移動通信系統(GSM)、增強型數據速率GSM演進技術(EDGE)、碼分多址(CDMA)、高速下行鏈路分組訪問(HSDPA)或長期演進(LTE)和WiMAX使用的正交頻分復用(OFDM)。

　　Keithley公司的2910就是款現代的VSG，可以產生頻率從10MHz到2。5GHz的信號(圖7)。型號2920的頻率上限是6GHz，可以適應25、40和80MHz步進。內置的AWG用于產生調制波形。另外，它的軟件定義無線架構具有很大的靈活性，可以通過編程產生符合幾乎所有數字調制或無線標準的信號。

　　圖7：Keithley的2910RF矢量信號發生器。

　　想要的調制/標準可以用Keithley公司的SignalMeister軟件或者諸如Matlab或LabVIEW等軟件創建，然后存儲在巨大容量的100M采樣的RAM中。2910內部有個500MHz的DSP用于處理波形數據。還有一個FPGA和數字上/下變頻器對結果信號作進一步處理，然后送到DAC和帶DDS合成器的矢量調制器。另外，輸出放大器和衰耗器提供-130到+13dBm的可變輸出功率，具體還取決于信號頻率。

　　在頻譜純度方面，單邊帶(SSB)相位噪聲在6GHz、20kHz偏移時為-101dBc，諧波在6GHz點的典型值為-40dBc。相位噪聲在6GHz、100kHz偏移時為-104dBc。可用調制類型包括AM、GSMGPRS-EDGE、cdmaOne和cdma2000、寬帶CDMA(WCDMA)和GPS。象HSDPA、LTE和WiMAX等較新的調制類型可以用軟件產生。多個2920可以與28？5同步單元一起用來產生多入多出(MIMO)測試信號。

　　安捷倫？司的MXG系列中有兩款著名的射頻發生器。其中N5183A微波模擬信號發生器是一臺高端射頻CW發生器。該系列發生器的輸出頻率范圍從100kHz到20、31。8或40GHz，輸出功率在20GHz點高達+18dBm。它的高速頻率開關速度小于900？s，典型值小于600？s。相位噪聲在20kHz偏移時的測量值小于-98dBc/Hz。

　　雖然N5183A主要用于天線和微波設備的生產測試，它也能提供AM、FM和PM以及脈沖等調制功能。它的脈沖上升/下降沿時間小于10ns，最小脈沖寬度為20ns。N5183A可以工作在數字逐頻和連續掃頻兩種模式。

　　安捷倫的N5182AMXGVSG有兩種版本，一種的頻率范圍為250kHz到3GHz，另外一種頻率上限高達6GHz。輸出功率在1GHz時高達+13dBm，相位噪聲在1GHz、20kHz偏移處小于-121dBc/Hz。調制模式與N5183A相同，還有一個關鍵特性是內部基帶發生和調制信號創建功能。內部AWG基帶電路可以向帶寬為100MHz的DAC提供高達125M采樣/s的信號。內部16位DAC使得N5182A擁有極好的動態范圍，支持幾乎所有測試。

　　波形回放存儲器的保存容量高達6？M采樣，而存儲用存儲器容量高達100M采樣。在該功能和安捷倫SignalStudio等軟件的支持下，用戶可以產生許多標準的無線信號，如Wi-Fi無線局域網(WLAN)、WiMAX、WCDMA、cdma2000、GSM、時分同步代碼多址訪問(TD-SCDMA)，甚至可以產生更先進的3G和4G無線標準，如HSDPA和LTE。這兩種MXG發生器都有通用接口總線(GPIB)、USB2。0和以太網100Base-T接口，并且符合LXIC類規范。

這些發生器的升級版模擬N5161A和N5162AVSGMXGATE主要用于對成本敏感的自動測試設備(ATE)應用。改進的性能包括：更高的輸出功率，可達+23dBm；改進的失真指標；針對MIMO和波束成形天線應用的相位一致性支持。另外，這些型號沒有采用標準的前面板，并且將所有連接移到了后面(圖8)。

　　圖8：安捷倫的N5182AMXGAWGRF信號發生器（上面）和更新的N5162AMXGATEAWG發生器組件。

　　數字發生器

　　數字發生器用于產生二進制信號或脈沖。基本的脈沖發生器可以產生很寬頻率范圍的脈沖，可以控制上升/下降時間、占空比和抖動等脈沖屬性。脈沖格式可以是標準的NRZ、RZ或其它格式，可以是正極性和/或負極性脈沖。脈沖幅度也可以改變。

　　一個數據或圖案發生器都有RAM和/或ROM用于存儲數字化數據。數據可以是用戶自己定義用于檢驗被測設備(DUT)的圖案，也可以是標準測試圖案，如PN9(109-1個點)或PN15(1015-1個點)的偽隨機比特序列(PRBS)。一些發生器可以產生多路輸出數據流。這些發生器一般還提供脈沖輸入觸發器。用戶還可以利用延時性能產生延時的序列來設置特定的設備。

　　BerkeleyNucleonics公司型號為575的數字延時/脈沖發生器是一款二合一發生器(圖9)。其脈沖發生器部分提供對脈沖速率、延時和寬度的獨立控制，并且包含一個外部觸發器輸入。它提供2、4或8路輸出通道，每個通道可以單獨設置成不同的脈沖狀態。

　　圖9：BerkeleyNucleonics的575型數字延時/脈沖發生器。

　　該發生器的頻率范圍是0。0002Hz到20MHz，還有一個40MHz的選件。分辨率為5ns，抖動小于200ps。標準輸出是晶體管-晶體管邏輯(TTL)，也可以是0-4V可調電壓、典型上升時間為3ns的輸出，還有一種可調的高壓輸出選件。每個通道可以有自己的輸入觸發器，或者所有通道被同時觸發。

　　575有一個獨立的延時發生器，它能提供精細的分辨率，具有很高的延時和寬度精度。基本分辨率是250ps，精度是1ppm。根據周期選擇的速率被設為10ns分辨率。575提供獨立的延時通道觸發輸入，或者所有通道被同時觸發。

　　另外，575有帶ST連接器的光輸出接口。輸出LED工作在820nm和1310nm，速率為5M波特，分辨率為500ps。最大光路距離長1。5km。575最多提供兩路光輸入，還可以通過標準的RS-232或USB端口實現外部可編程功能。另配選件提供GPIB或以太網編程接口。另外，板載存儲器可以用來保存設置參數。575還提供了國家儀器公司的LabVIEW驅動程序。

　　泰克的DTG5000脈沖發生器是另外一種數據發生器(圖10)。取決于選用的是哪個模塊，發生器可以在1、8、16、32、6？或96個通道上產生速度高達3。35Gbits/s的脈沖和數據流。用戶也可以完全控制所有的脈沖參數。每個通道都有分辨率為0。2ps的脈沖延時功能。

　　不同型號提供的脈沖發生頻率也不同，分別從50kHz到750Mbits/s、2。7Gbits/s或3。35Gbits/s。典型的脈沖格式是NRZ、RZ和R1。脈沖寬度、占空比和延時都是完全可變的。脈沖寬度分辨率為5ps。可以增加小于3psrms的隨機抖動。DTG5000還提供從PRBSPN15到PN23的數據圖案功能。每個通道的圖案長度可以是8、32或6？Mbits，不同型號有不同的值。

　　DTG5000還提供眾多預存儲的圖案，如二進制、格雷、Johnson或跳棋碼。為了方便儀器的控制和數據傳送，DTG5000提供了GPIB和以太網接口。可用的I/O端口有：USB、RS232、用于10/100M以太網的RJ45以及VGA輸出。

　　還有許多用于特殊測試的其它類型發生器。例如，視頻發生器可以產生電視和視頻測試用的信號。另外，噪聲發生器可以產生白色或粉色噪聲，并疊加到另外一個信號發生器的輸出上，用于測試放大器或其它電路的抗噪聲能力或性能。還有一些特殊發生器產生的信號可以用來生成脈沖發生器或AWG中的抖動。